水系铵离子电池因安全性高、成本低、环境友好等优势，在大规模储能领域备受关注。聚合物负极解决了小分子在水系电解液中的溶解问题，且相比无机材料更具结构-功能协同优势，是构筑高性能铵离子电池的理想选择。然而，当前研究或聚焦于快速离子传输的刚性聚合物，或侧重于高活性位点利用率的柔性聚合物，二者难以兼顾。如何同时提高电子传输速率和活性位点利用率，是设计高性能聚合物负极的关键挑战。

我院刘明贤教授团队长期致力于高效储能材料研究并应用于新能源电池，近期课题组设计了刚柔并济的七嗪-双胍聚合物框架（HBFs）材料作为铵离子电池负极材料，这种设计既发挥了刚性七嗪单元快速电子离域的特点，又利用了柔性双胍嵌段降低活性基团空间位阻的优势，弥补了各自短板，构建了兼顾高容量与高倍率的铵离子电池。相关成果以“Rigid-flexible heptazine-biguanide frameworks enable fast electron delocalization and low-steric-hindrance ammonium-ion storage”为题，发表于《科学进展》(Science Advances)。

通过整合平面型三电子受体三聚氰酰胺与可旋转四电子受体氯己定连接单元，设计合成了刚柔共济的七嗪-双胍聚合物框架（HBFs），展示出高密度亚胺活性位点和高度共轭结晶结构，低能带间隙和高电导率有助于加快电子转移动力学和电极的氧化还原反应。

刚性三聚氰单元提供快速电子离域通道，柔性双胍链降低位阻，使 HBFs 实现99.6%的超高亚胺位点利用率与0.15 eV 的超低活化能。HBFs作为铵离子负极材料时，表现出高比容量（314 mAh g⁻¹）和长循环稳定性（60,000次充放电后容量保持率为86.7%），即使在60 A g⁻¹超高电流密度下仍保持101 mAh g⁻¹，倍率性能优于已报道的大多数有机材料。

通过异位光谱揭示了HBFs负极的电荷存储机制：放电过程中，双胍单元的四个C=N位点优先与NH₄⁺配位，随后七嗪单元的三个C=N位点参与配位，每个七嗪-双胍模块实现七电子氧化还原反应。

DFT计算表明，HBFs具有较低的LUMO-HOMO能隙（2.97 eV），π电子离域贯穿整个芳香骨架，有利于快速电子转移。

与聚苯胺（PANI）正极匹配组装的全电池（HBFs||PANI）基于正负极总活性物质质量实现100.6 Wh kg⁻¹的能量密度，并在10 A g⁻¹下循环120000次后容量保持率约80.1%，创下铵离子全电池循环寿命新纪录。本工作为设计刚性–柔性协同有机框架电极材料、发展高性能铵离子电池提供了全新范式。

上述研究工作得到了国家自然科学基金委、上海市科委和永利集团青年百人计划的资助，博士后杜文燕为论文第一作者，宋子洋特聘研究员、甘礼华教授、刘明贤教授为论文共同通讯作者。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec9924